Влияние предварительного давления на сталь на структурное увольнение во время перераспределения нагрузки

Престрессовая сталь не просто противодействует растягивающим силам в бетоне; она фундаментально меняет то, как структура реагирует на повреждения и неожиданные перегрузки. Когда дизайнеры понимают взаимодействие между высокопрочными стальными сухожилиями и общей структурной системой, они открывают мощный инструмент для создания избыточности в мосты, гаражи, крыши с длинным пролетом и другую критическую инфраструктуру. В этой статье исследуются конкретные механизмы, с помощью которых предварительно напряжённая сталь увеличивает перераспределение нагрузки, исследуются реальные показатели производительности и выявляются инженерные решения, которые максимизируют избыточность без увеличения затрат или усложнения строительства.

Механика предварительного давления на сталь

Престрессовая сталь обычно включает в себя семипроводные нити, отдельные провода или высокопрочные сплавные стержни, все изготовленные до предельных пределов прочности на растяжение в диапазоне от 1720 до 1900 МПа. Эта прочность на растяжение примерно в три-четыре раза превышает прочность обычной армирующей стали. Сталь подвергается давлению до контролируемого уровня - обычно от 70 до 80 процентов ее конечной прочности - до бетонных отверждений или после того, как она достигает адекватной прочности. Введенное сжатие компенсирует напряжение, которое в противном случае вызвало бы растрескивание при эксплуатационных нагрузках.

Существуют два основных метода нанесения. В натяжении сталь натягивается на абаты, бетон обкладывается вокруг нее, и после отверждения сила переносится на бетон через связь. постнатяжение, протоки отливаются в бетон, сталь вставляется и напрягается после отверждения, а сила закрепляется на концах элемента. Оба подхода производят активное усиление, которое участвует в сопротивлении нагрузки с самых ранних стадий обслуживания.

Материальные свойства, связанные с увольнением

Стресс-деформация стали отличается от мягкой стали. Престрессовая сталь демонстрирует более высокую точку удлинения при разрыве - обычно от 3 до 4 процентов общего удлинения по сравнению с 10-12 процентами для мягкой стали. Эта пониженная пластичность имеет прямые последствия для избыточности: в то время как престрессовая сталь может нести очень высокие силы упругости, она может не растягиваться достаточно, чтобы позволить большие деформации до отказа. Однако несколько сухожилий в большинстве престрессовых систем обеспечивают альтернативные пути нагрузки, а сам бетон, ограниченный мягкой армированием, может обеспечить пластичность за счет уплотнения и дробления.

Структурная избыточность и ее зависимость от многонагрузочных путей

Структурное резервирование — это свойство, позволяющее структуре сохранять устойчивость и продолжать нести нагрузку после выхода из строя одного или нескольких компонентов. Увольнение — это не просто наличие дополнительной прочности; оно требует альтернативных путей нагрузки, которые могут взаимодействовать при компрометации первичного пути. В простом статически определенном луче один отказ приводит к коллапсу. В непрерывной предварительно напряжённой балке отказ одного пролёта может быть урегулирован моментальным перераспределением в смежных пролётах при условии, что система имеет адекватную мощность вращения и пластичность.

Количественная избыточность

Инженеры часто оценивают избыточность с помощью системных факторов или путем оценки отношения конечной нагрузки поврежденной конструкции к неповрежденной конечной нагрузке. Структура с коэффициентом избыточности выше 1,0 при событии уровня проектирования (например, потеря колонны или сухожилия) может выжить без общего коллапса. Стрессовая сталь непосредственно способствует этому соотношению, обеспечивая жесткий, высокопрочный элемент, который может быстро взаимодействовать после повреждения, в то время как склеенный характер большинства систем предварительного нажатия гарантирует, что передача силы на бетон остается эффективной даже после растрескивания.

Механизмы перераспределения нагрузки в напряженных структурах

При нанесении нагрузки на предварительно напряжённый бетонный элемент внутренние силы распределяются между предварительно напряжённой сталью и бетонным сечением. Если разрывается сухожилие или группа сухожилий, или если бетон широко растрескивается, силы должны перераспределяться. Вступают в действие следующие механизмы:

Критическая роль Бонда

Связанные престрессовые системы по своей сути обеспечивают превосходную избыточность по сравнению с несвязанными системами. В скрепленной системе напряжение в стали не является постоянным по длине; оно изменяется с диаграммой момента. Если одно поперечное сечение не удается, напряжение стали в смежных секциях может быстро увеличиваться, потому что бетонное напряжение связано с напряжением стали через связь. Это позволяет системе задействовать больше сухожилий в сопротивлении приложенной нагрузке. В несвязанных системах напряжение стали остается почти постоянным по всей длине (кроме потерь трения), поэтому потеря одной крепления или развитие большой локализованной трещины могут перераспределить меньше силы на другие сухожилия.

Как стрессовая сталь напрямую увеличивает избыточность

Престрессовая сталь влияет на избыточность через пять различных каналов:

  1. Высокое соотношение прочности к весу: Для достижения такой же емкости требуется меньше материала, что позволяет больше места для мягкого усиления и альтернативных путей нагрузки.
  2. Контролируемое растрескивание: Поддерживая бетон в сжатии при рабочих нагрузках, предварительное нажатие подавляет раннее растрескивание. Это сохраняет эффективность всего сечения дольше, улучшая жесткость и обеспечивая более плавное перераспределение при возникновении перегрузок.
  3. Многочисленная схема расположения сухожилий: Дизайнеры часто располагают десятки отдельных нитей или брусков в пределах одного луча. Неисправность одной нити обычно не вызывает немедленного коллапса, потому что оставшиеся нити могут поглощать дополнительную силу — при условии, что зоны крепления и прочность бетона являются адекватными.
  4. Эластичное восстановление после разгрузки: Если временная перегрузка снята, престрессовые члены часто возвращаются в исходное состояние с минимальной остаточной деформацией, сохраняя избыточность для будущих событий.
  5. Увеличенная способность к сдвигу: Сжатие от предварительного нажатия увеличивает прочность сдвига бетона и уменьшает потребность в тяжелых перемешиваниях. Это улучшает общую устойчивость структурной системы, позволяя перераспределение сдвига после взлома сети.

Сравнительный анализ: стрессовые системы против непередаваемых

Прямое сравнение между железобетонными (RC) балками и предварительно напряженными бетонными (PC) балками подчеркивает компромиссы в избыточности. РК балки обычно имеют более высокую пластичность, с удлиняющими возможностями армирования стали, превышающими 10%. Это позволяет большие вращения и обширное перераспределение моментов до отказа. ПЛ ПК, с другой стороны, имеют более низкую пластичность, но большую жесткость и контроль трещин в условиях эксплуатации.

Однако реальное преимущество престрессинга проявляется в системном поведении. Непрерывная кольцевая балка ПК с скреплёнными сухожилиями может выдержать потерю целого пирса без полного коллапса, если смежные пролёты спроектированы с достаточным усилением непрерывности и если престрессирующая сталь в верхнем фланце может выступать в качестве усиления отрицательного момента. В непрестрессованном непрерывном RC-луче тот же сценарий, вероятно, приведёт к коллапсу, поскольку верхнее усиление рассчитано только на оболочку отрицательного момента и может быть недостаточным для перераспределенных сил.

Дизайн кодов, таких как ACI 318-19 и AASHTO LRFD, явно признает вклад престрессинга в надежность, позволяя более высокие коэффициенты сопротивления для непрерывных престрессовых систем, при условии, что несвязанная длина сухожилий ограничена и что по крайней мере два сухожилия предоставляются на область пластикового шарнира.

Проектирование инженерных решений для максимизации увольнения

Для достижения высокой избыточности с помощью подвесной стали требуются продуманные решения на этапе проектирования. Эффективными оказываются следующие стратегии:

  • Минимизируйте длину без связки: По возможности используйте скрепленные сухожилия, полностью затираемые после натяжения. Если несвязанные сухожилия необходимы (например, в плитах, где необходимы будущие корректировки натяжения), обеспечивайте дополнительное скрепленное усиление в тех же зонах натяжения.
  • Предоставьте несколько сухожилий на критический участок: Распределите предстрессовую силу между несколькими меньшими сухожилиями, а не одним большим пучком. Это уменьшает воздействие одного разрыва сухожилия.
  • Конструкция для разрыва сухожилий: В критических конструкциях (например, мосты с длинным пролетом, ядерные контейнеры) явно проверьте случай отказа одного или двух сухожилий. Проверьте, что оставшаяся сталь и прилегающий бетон могут выдерживать проектные нагрузки с соответствующим фактором безопасности.
  • Подробности пластичности: Конкретный бетон в зонах сжатия с близко расположенными стременами или спиральной армизацией для увеличения мощности сжимающего деформирования. Это позволяет пластиковым шарнирам образовываться с достаточной мощностью вращения.
  • Рассматривайте вторичные моменты: В постнапряженных пучках престресс вызывает вторичные (гиперстатические) моменты. Эти моменты могут изменять знак при больших деформациях, потенциально снижая эффективность перераспределения. Используйте нелинейный анализ для захвата этих эффектов.

Пример: дизайн гаража для парковки

В пятиэтажной парковочной конструкции конструкторы использовали 16 склеенных сухожилий на балку. Во время пожара в одной бухте произошел локализованный отказ сухожилий из-за рассыпного бетона. Остальные 15 сухожилий вместе с мягкой верхней арматурой перераспределили нагрузку на соседние рамы. Структура оставалась функциональной до тех пор, пока не был произведен ремонт. Анализ после мероприятия показал, что коэффициент избыточности системы превысил 1,25, что объясняется щедрым расстоянием между сухожилиями и наличием непрерывной мягкой стали над колоннами.

Реальные приложения и тематические исследования

Несколько заметных конструкций демонстрируют эффективность предварительного натяжения стали в обеспечении избыточности при перераспределении нагрузки:

  • Мост Sunshine Skyway (Florida): Этот кабельный мост использует бетонные балки с натяжением. После столкновения судна в 1980 году (которое разрушило непрестрессовый подход), в конструкции замены использовались избыточные престрессовые сухожилия в каждом сегменте. С тех пор система оказалась устойчивой к ураганным ветрам и случайным воздействиям.
  • Перепланировка Кинг-Кросс-Стейшн (Лондон): Знаменитая конструкция крыши использует бетонные арки с внутренними сухожилиями.В ходе строительства одно сухожилие проскользнуло на якорной стоянке, но избыточность в оставшихся сухожилиях предотвратила любые немедленные структурные проблемы, что позволило планировать ремонт без закрытия.
  • Сиэтл-Такома Аэропорт гараж: Землетрясение 2004 года вызвало обширный треск в нескольких колоннах гаража. Под напряжением спанделл-балки перераспределили нагрузки от поврежденных колонн к неповрежденным колоннам, предотвращая прогрессирующий коллапс. Связанный характер сухожилий гарантировал, что увеличение напряжения в неповрежденных регионах было ограничено.

For further reading on the performance of prestressed structures under redistributed loads, consult ACI 440.1R-15: Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with FRP Bars and the fib Bulletin 72: Prestressed Concrete Structures with Tendon Rupture.

Проблемы и ограничения

Хотя предварительный нагрузочный сбор стали предлагает много преимуществ, инженеры должны знать о его ограничениях:

  • Низкая пластичность при разрыве: Как отмечается, предварительно напряжённая сталь имеет ограниченное удлинение. В конструкциях с высоким сейсмическим спросом монотонная пластичность может быть недостаточной для достижения желаемых вращений шарнира. Дополнительное мягкое усиление необходимо в зонах пластикового шарнира.
  • Неисправности в зоне якорного стояния: Если якорная стоянка сухожилия не срабатывает, вся сила престресса в этом сухожилии теряется на всю длину. В системах с небольшим количеством сухожилий это может уменьшить избыточность. Критически важно правильное детализация несущих пластин и укрепление удерживания в якорных зонах.
  • Дефекты маршрутизации: При склеенной постнатяжке неполная затирка может оставлять пустоты, которые позволяют коррозию и уменьшают композитное действие. Сухожилие с плохой связью ведет себя частично несвязанным, уменьшая его способность способствовать перераспределению.
  • Прогрессирующая коррозия сухожилий: В агрессивных средах коррозия может вызвать локализованное промывание и внезапный разрыв.Необходимы периодические проверки и меры защиты от коррозии (например, эпоксидное покрытие, оцинковка или защитные протоки).

Будущие тенденции в дизайне увольнения с использованием стали

Исследования и практический опыт продолжают совершенствовать использование подвесной стали для перераспределения нагрузки.

  • Дизайн на основе производительности: Перейдя за пределы предписывающих сухожилий, инженеры теперь используют нелинейный статический и динамический анализы для явной проверки избыточности при определенных сценариях повреждения.
  • Умные сухожилия: Встроенные датчики в преднапрягающие нити могут отслеживать изменения напряжения в реальном времени, предупреждая операторов о потенциальных перегрузках или повреждениях до превышения мощности перераспределения.
  • Высокопрочная сталь с улучшенной пластичностью: Новые сплавы, такие как микролегированные стали и сверхвысокопроизводительный армированный волокном бетон, позволяют предварительно напрягать сталь с удлинениями до 6% при сохранении высокой прочности, преодолевая разрыв между прочностью и пластичностью.
  • Модульные предударные системы: Предустановленные бетонные элементы со напряженными соединениями обеспечивают ускоренную конструкцию и присущую избыточность, если соединения спроектированы с проходимыми деталями.

Заключение

Престрессовая сталь — это не просто инструмент для управления трещинами или удлинения пролета; это фундаментальный компонент в создании структурно избыточных систем. Его высокая прочность, многоцепочечная компоновка и способность поддерживать сжатие бетона в условиях эксплуатации способствуют надежному перераспределению нагрузки после повреждения. Однако инженеры должны спаривать это активное усиление с адекватной пластичностью из мягкой стали, тщательной детализацией якорных зон и преднамеренным выбором склеенных и несвязанных сухожилий. При применении этих принципов предварительно напряженные конструкции достигают устойчивости, необходимой для защиты жизни и имущества, даже при самых требовательных событиях перераспределения нагрузки.